对液态冷却技术的研究及在无线充电领域的探讨＊

王毓延，刘宝君

（山东华宇工学院，山东 德州 253000）

引言

随着电子技术的快速发展，无线充电设备使用的更加广泛，以及高密度、高功耗的电子元件的不断增多，厂商为提高用户体验，缩短充电所需时间，普遍采用加大无线传输功率来提高充电点速度。由于大功率无线充电装置具有热流密度大、散热空间狭小等缺点造成充电装置局部过热、为保证无线充电过程的安全性，不得不降低输出功率，从而造成充电时间延长，降低用户体验。

现阶段无线充电装置普遍无散热模块或采用风冷式无线充电，但对于充电速率更大、热流密度更大的设备风冷式无线充电一般难以满足散热需求，减慢了充电速度从而影响了用户体验。如今液态冷却技术在诸多领域大展拳脚，尤其在电子技术领域。液态冷却技术能提供更强的散热方式和效能，达到降低温度、提高充电速度的目的。主要探讨液态冷却散热技术的原理，以及其优势和在无线充电领域的应用前景。

1 液态冷却散热功能原理

目前液态冷却散热技术普遍采用水冷散热，水冷散热是液态散热系统中的其中一种形式，除此之外还有很多的其他介质可以用于液态冷却散热系统。从技术的角度看液态冷却技术的工作原理就是利用水泵从储水器中把水抽出来，通过水流管再进入水箱，之后再通过水箱另外的一个口出来，再从水管回流到储水器，往复循环，把热量从显卡、主板、CPU等散热量较大的元器件的表面带走（如图1所示）。

图1 液态冷却散热系统工作原理图

水冷块是一种内部有水回路的金属块，由铜或铝制成，与CPU接触，吸收CPU的热量。因此，该部分的功能与风冷散热作用相同，不同的是，水冷块必须留下一个通道，供循环液体通过并完全关闭，保证如图2所示。这样保证了循环液不会因为漏液造成电器短路。循环液的作用与空气相似，但吸收了大量的热量，温度变化不大。如果液体是水，那就是众所周知的水冷系统。水泵的作用是促进循环液体的流动。这样，吸收CPU热量的液体流出 CPU，新的低温循环液体继续吸收CPU热量，水管连接水泵、水冷块和水箱，在循环液体的封闭通道内循环而不泄漏。这样，液体冷却系统可以达到正常使用的目的。

图2 水冷块水道示意图

水箱储存循环液，循环液在这里释放CPU的热量。低温循环液再次进入装配线。当CPU的热量较小时，利用水箱中储存的大容量循环液，循环液的温度不会明显升高。如果CPU的功率很大，需要通过增加热开关来进行分配。CPU的热量类似于这里的热开关。循环的液体把热量大面积地传递给散热器，散热器的风扇把空气的热量带走。

如果是小型密封液体冷却系统，则省略开放式水箱。液体在泵、冷却块和热交换器之间流动，循环液体在空气中流动，可以防止暴露恶化。

可见，液体冷却和冷却本质上是一样的。只有在液体冷却时，CPU的热量才通过循环液体从冷却块传递到换热器。换热器的采暖面积和采暖环境均比普通空调好得多，制冷效果明显。

液态冷却散热技术作为一种成熟的散热技术，总是广泛地应用于工业之上，如飞机引擎的散热、机载机箱的散热、汽车引擎的散热等。由于液态冷却散热方式在噪声控制有着很好的效果，并且液态冷却散热的速度大于空气散热的散热速度，所以液态冷却散热具有优良的散热效果。因为在噪声控制和散热效果上有着种种的优势，液态冷却散热技术慢慢普及开来，当今液态冷却技术在个人计算机领域使用的尤为广泛，近年来液态冷却技术在智能手机领域渐渐发展起来，如黑鲨游戏手机、红魔游戏手机等。

2 液态冷却散热对比风冷散热的技术优势

2.1 超静音

相对于目前主流的风冷散热，液态冷却散热系统利用散热管中的冷却液循环进行散热。液态冷却散热的一个极大优点就是它可以在不提高气体内部温度的同时就可以把热量吸收并且传输出去。从而实现无风扇散热，也就不会产生振动，来实现超静音的状态。

2.2 散热迅速

液态冷却散热具有热容量较大、温度上升的速度慢等特点，可保证在有突发事件发生时，元器件不会突然升温突破电子元件可承受的温度上限以至于烧毁，起缓冲作用。

赵吉志在分析水冷散热的优势时，假设电子元件功率为40W，在一小时就可以产生860.076×40=3443.04卡的热量，要是流经水冷装置的水量为100L/h，那么在不考虑其他方面散热的情况下，水温上升了0.344℃。适当的水量是影响散热素的关键。再次选用适当的水量，假设电子元件的功率为40W左右，并且用15L的水不加风扇，并且使用10W的沉水泵，在环境温度为25℃时，经过2h之后，水温上升了3℃，并且达到了平衡的状态。可说明水冷方式可有效散热。

3 液态冷却散热的方式

以对数据中心进行液态冷却散热为例，我们可以把在数据通信设备中的液态冷却散热系统认为是一种液体的回路，在这之中，需要冷却的部件如 CPU中的热量与冷却液相交换，通常，CPU可提供冷却系统中所需液体，或者服务多个机架的外部 CDU也可提供。因为想要很好地解决数据中心的发热问题，产业界做了大量的尝试，就目前来说，液态冷却技术主要有三种技术路线，分别是浸没式，喷淋式以及冷板式散热。

3.1 浸没式液态冷却散热

浸没式液态冷却是今年广受关注的一种散热技术，并且在全球计算机大会上，相当多的国内外企业纷纷推出并且展示了浸没式液态冷却散热的产品。有着极大的受关注度。

因为在浸没式液态冷却散热中，冷却液可与发热的设备直接接触，冷却液又具有，传热系数高，对流热阻低，比热容大和导热率打的特点，以至运行温度变化率小，并且浸没式液态冷却散热无需风扇，降低了噪音以及功耗，制冷效率高。所以此液态冷却散热技术符合对节能要求高，并且热流密度大的计算机、大型数据中心等机构领域。是一种绿色节、新型高效的冷却解决方案。

3.2 喷淋式液态冷却散热

喷淋式液态冷却散热的主要特点是将无腐蚀性的冷却剂直接喷洒在热力元件的表面或与热力元件接触的膨胀面上，吸收热量后排出热力流体，与外部环境的冷源进行换热。

喷淋式液体冷却柜系统由喷淋式液体冷却柜系统、体冷却服务器和冷却剂三部分所组成。室内换热器与喷淋式液体冷却机通过管道相连，柜内半导体的余热被冷却水吸收后输送至室内换热器和室外换热器及热量。在该系统中，服务器内部的加热部件采用分布式结构。加热部件的加热面方向与重力方向不同。服务器内部没有风扇，因此在保存硬盘时需要对其进行保护和隔离。喷淋式液态冷却系统具有散热效率高、集成度高、静音和高效节能等特点，是一种有效的散热手段。

3.3 冷板式液态冷却散热

冷板液冷的主要布置是在液冷箱内安装分水装置，在液冷计算节点上设置出水支管，将支管进出口与液态冷却计算节点进出口连接，达到液态冷却计算节点中的液态冷却循环。液体在罐内回合。储罐共有两个和外部管路相连接的接头。该连接通道与外部CPU相连，在制冷板的液体冷却系统的液体冷却节点中进行液体冷却，CPU等大型消耗品由液体冷却板冷却，少量其他加热部件（如硬盘接口卡、硬盘等）依然采用风冷冷却系统。

冷板式液态冷却散与风冷式散热相比，散热效果和防噪音效果都会更好。并且因为冷板式液态冷却散热技术不需要大的水冷装置，所以布局后降低了所有成本，显著提高了数据中心的能源利用效率。在现有风冷技术下，一方面每个机柜的能耗最多只能达到30kW，在每分钟60升的流量设置下，冷板式液态冷却散热可以实现每个机柜45KW的总能耗，从而实现更高密度的数据中心。

4 液态冷却散热的方案应用情况

在1966年，IBM推出了一款高速、高性能，并且大规模地应用于科学计算中的system/36091型计算机，此计算机具有预测全球气候、探索宇宙等能力，以确保前所未有的大型机器的稳定性和效率，IBM专门开发了液态冷却系统，后来又开发了几十台。多年来，在热负荷较低的情况下，风冷成本较低，技术较简单，液体和冷空气逐渐消失。虽然IBM先后采用了3081台大型机械和575秒功率的新型水冷散热技术，但直到2010年的7月系统才真正达到的成熟。作为冷却介质，其冷却效率是普通风的4000倍。用于冷却后的热水还可以为其他生活建筑供暖，每年可节约数万美元。

和IBM直接使用水做空调不同，英特尔和绿色革命冷却（GRC）在一年后推出了矿物油冷却系统。GRC是美国国家科学联合会的初步支持。公司成立于2009年，成立不到10年，但在冷却技术解决方案方面有一定的成就和声誉。

除了Tel和GRC公司，美国3M公司在浸入式液体冷却方面也取得了突破。研究了普通离子水绝缘冷却剂NOVEC，与矿物油沸点相比，它能在较低的温度下进行沸腾气化。在3M液体冷却系统中，NOVEC吸收热量并沸腾，蒸汽在上端冷凝，将热量释放成液态。往复循环逐渐降温。

在开发者大会上，谷歌推出了三代用于学习机的半导体TPU。TPU 提供了超强的计算能力，高密度设计和高性能计算速度随之带来的高热量。让谷歌只能在数据中心引入液冷技术，这是第一次在数据中心使用液态冷却技术。从已公布的产品照片来看，谷歌有极大的可能采用的是冷板式散热，但具体技术尚未披露。

5 结语

无线充电技术高速发展，正朝着体积小、功耗大、密集度高等方向快速发展。解决在无线充电装置的使用中大量的发热问题刻不容缓。相信随着液态冷却技术的发展和成熟会在无线充电领域发挥出应有的效果。

液态冷却技术在解决热控制上起到了不可代替的作用，通过了解分析液态冷却散热技术的功能、原理、特点及应用给液态冷却技术在无线充电领域的发展指明了方向，液态冷却技术在无线充电领域会有极为广阔的前景。